为什么北太平洋冬季风暴活动越来越强？全球变暖的影响？

近年来有感觉到冬天的风暴变得更强烈了吗？近日台湾省的研究团队在Nature上的意向研究，自20世纪80年代以来，北太平洋冬季风暴确实增强了，而且不仅如此，增强的同时还在向北移动，这是什么原因导致的呢？这一现象背后隐藏着怎样的气候机制？

在理解这一研究之前，我们需要先了解什么是风暴路径（storm track），风暴路径本质是指中纬度地区天气系统如气旋和反气旋频繁经过的路径带，是地球能量平衡的关键组成部分，负责将热量、水分和动量从中纬度地区向极地输送，同时将来自两极的冷空气向南扩散。

风暴路径的发展依赖于大气斜压不稳定性，与垂直方向上温度和压力的变化相关，当冷空气与暖空气相遇形成强烈的水平温度梯度时，大气中就储存了大量可用势能，为风暴的发展提供了能量来源。

斜压不稳定性是风暴发展的核心机制，揭示了温度梯度如何通过斜压不稳定性能量转换为风暴动能，其强度常用Eady增长率（Eady growth rate）来衡量，其中f为科里奥利参数，N为浮力频率，∂u/∂z为垂直风切变，∂T/∂y是温度梯度，通常，气候变暖通过增强温度梯度增加风切变，提高了斜压不稳定性，从而促进风暴活动。

而风暴活动的强度常用涡动动能与涡动热通量来量化，涡流动能（Eddy Kinetic Energy，EKE）反映的是风暴的强度，根据公式，与风速扰动平方成正比；涡流热通量（Eddy Heat Flux，EHF）反映的是风暴对热量的输送能力，水平热量输送推动风暴成熟；涡流垂直热通量（Eddy Vertical Heat Flux, EWF）则反映垂直方向上的能量交换，是位能与动能转换的核心过程。

式中，u′、v′、T′分别是风速和温度的瞬变扰动分量，w′是垂直风速的瞬变扰动，T′是温度的瞬变扰动。

斜压波理论揭示了中纬度风暴的本质是温度梯度驱动的斜压不稳定性，通过EKE、EHF、EWF三个指标量化其强度和发展阶段，该理论不仅解释了北太平洋风暴的增强趋势，也是理解风暴活动物理基础。

为了研究北太平洋冬季风暴活动情况，研究团队分析了1979-2021年期间的ERA5再分析数据，发现北太平洋中纬度地区的风暴活动呈现出一致的北移和增强特征。

风暴路径核心区的涡旋动能(EKE)每十年增加约1 m²/s²，表明风暴系统正在更有效地将热量从低纬向高纬输送。风暴系统的经向热通量(EHF)在30-60°N范围内每十年增加0.1 K·m/s，同时在高纬度地区减弱，表明风暴系统正在更有效地将热量从低纬向高纬输送。在垂直方向上，西太平洋地区的上升运动增强，而东太平洋的下沉运动加强，这种变化对应着整个环流系统的调整。

这些变化并非均匀分布，而是在北太平洋区域最为显著，相比之下，北大西洋的风暴活动变化相对较小，这表明不同海盆对全球变暖的响应存在区域差异。

对于这个现象，研究发现亚热带对流层变暖是驱动这些变化的主要因素。亚热带对流层变暖增强了其与北部中纬度地区之间的温度梯度，这种梯度增大了斜压不稳定度，为风暴发展提供了更多能量。根据热成风平衡原理，增强的温度梯度导致高空急流加速并向北偏移。而急流作为风暴活动的引导气流，其北移直接带动了风暴路径的变化。风暴活动增强后，其热量和动量输送反过来维持甚至强化了背景环流的变化，形成一个正反馈循环。

相比之下，北极近地面变暖和热带上层变暖对北太平洋风暴活动的影响则相对有限，回归分析显示，北极变暖实际上会减弱中纬度风暴活动，而热带变暖则可能导致风暴路径南移，这与观测到的北移趋势恰恰相反。

图：观测到的天气涡旋活动变化

1979年至2021年冬季（12月、1月和2月[DJF]）观测到的平均值（等值线）和趋势（阴影）：a. 500–150 hPa天气涡动能平均值（等值线间隔：15 m2 s  −2 ，阴影间隔：1 m2 s  −2十年-1 ），b. 1000至250 hPa天气涡经向热通量平均值（2 km s −1，0.1 km s −1十年-1），c . 1000至300 hPa天气涡垂直热通量平均值（0.06 km s −1，0.003 km s −1十年-1）。虚线区域表示95%置信水平下的趋势显著性。数据来源：ERA5。

为了进一步确定观测到的环流变化的根本原因，研究团队通过模型分析了不同海区海表温度变暖趋势对大气的影响，研究结果显示，亚热带北太平洋和印度洋的变暖趋势共同造就了与观测相似的风暴路径变化。

印度洋变暖通过激发罗斯贝波列在北大平洋产生等效正压结构的反气旋异常，亚热带北太平洋变暖则主要在当地产生振幅随高度增加的反气旋响应，两者协同作用，再现了观测到的急流北移、风暴路径增强等特征。

这种发现给了我们一个提醒，印度洋变暖虽然在空间上与北太平洋相距甚远，却能通过遥相关机制对后者产生显著影响，表明全球气候系统各组分间存在复杂的相互作用，局地气候变化的驱动因素可能来自遥远区域。

随着全球持续变暖，理解这些中纬度气候变化机制对提高气候预测准确性、制定适应性策略至关重要，这项研究强调了副热带变暖这一相对被忽视的因素的重要性，为完善气候模型提供了新方向。

❓思考题：下列哪个因素对北太平洋风暴增强贡献最大？

A.北极近地面变暖
B.副热带对流层变暖
C.热带海洋变冷
D.南极冰盖融化

参考文献：Hsu, PC., Hsu, HH., Hong, HJ. et al. Subtropical warming enhances North Pacific midlatitude winter storm track activity in recent decades. npj Clim Atmos Sci 8, 235 (2025). doi.org/10.1038/s41612-025-01108-7